人造肉產業技術的演變與預測研究

祝宏輝，趙瑞彤，王彥

1(石河子大學 經濟與管理學院，新疆 石河子，832000)2(石河子大學鄉村振興研究中心，新疆 石河子，832000)3(新疆政法學院 經濟管理學院，新疆 圖木舒克，843999)

伴隨著世界人口激增、城市化進程進一步加快、消費結構不斷升級，畜產品的有效供給不足與人類社會可持續發展的矛盾日益突出，畜產品供給體系亟待轉型[1]。人造肉作為較為理想的畜產品替代品，從質感、口感、風味、色澤、營養成分等方面全方位地模仿普通肉類，與傳統畜牧業的生產方式相比，使用人造肉技術生產肉制品有著較高的生產效率、極低的土地占用率、較少的能源耗費以及更低溫室氣體排放量，能在補充畜產品產能不足的同時協調好可持續性等問題[2-6]。人造肉產業的發展對中國糧食安全問題、畜產品供給體系調整問題都有一定的積極意義。

區別于大眾認知中的簡單人造肉產品，被賦予戰略意義的新型人造肉從兩種技術范式出發，一類采用植物基材料，通過靜電紡絲等技術盡最大可能的模仿肉類的質地，旨在減少牲畜的中間消耗[7-8]；另一類則依托于組織工程技術，基于對細胞的培養和增殖來獲取可食用的肌肉組織，同樣規避了畜牧業動物性生產的天然限制[9-10]。在由傳統技術范疇向新概念過渡的產業技術躍遷期，面臨兩條路徑可供選擇的人造肉產業技術該怎么發展，需要集中資源主攻哪些方向，成為人造肉產業發展之初必須解答的問題。

專利包含著與創新意圖和技術發展相關的規范化數據，同時包含了技術屬性和市場屬性，是世界上反映科學技術發展最迅速、最全面、最系統的信息資源[11-13]。因此，本文以人造肉專利為研究對象，基于技術軌道理論，通過專利分類共現分析法、“S”型曲線法，探究人造肉技術系統具有怎樣的技術發展軌跡以及未來的產業技術軌道發展的重點方向。在理論上，本研究豐富了特殊階段的技術預測理論，同時細化了技術預測在不同情景下的運用；在實踐上，本研究厘清了人造肉技術的發展過程及發展方向，為人造肉產業的技術創新活動提供決策參考。

1 理論基礎與研究設計

1.1 理論基礎

技術軌道是產業技術在技術范式影響下的一組可能進化方向或演進路徑[14]。技術在技術軌道上所做的前進性運動既受到已積累的技術體系或技術范式的影響，同時又受到來自社會和市場需求的拉動，具有技術自主性和社會建構性的雙重特點[15]。產業內的技術系統是由一系列不斷演化的技術軌道構成，占據市場優勢的主軌道與未占據市場主導地位的其他枝軌道相互融合、借鑒、滲透，形成技術進步的合力[16-17]，這股合力決定了技術進步的方向，同時也是技術預測的主要依據。

技術軌道躍遷的產生是系統內部技術軌道的更替。當某種技術方向成為技術主軌道時，技術的積累使其具備了極強的路徑依賴性[18]，并通過不斷積累和自我強化從而陷入固定軌道[19]，發展將陷入停滯，到達瓶頸期[20-21]。當獲得重大技術突破或有特定的機會窗口出現時，產業的技術軌道將完成一次演進與躍遷[22-23]。

對完成軌道躍遷的新技術系統進行技術預測并非無憑可依，這類技術預測活動可以很明確的定義為一種立足于前一階段技術系統對后一階段不穩定的技術系統新結構做出的前饋控制[24]。對技術軌道躍遷的發生而言，起決定性作用的是來自技術系統內長期的技術積累，某一重大技術突破僅僅是技術躍遷發生的誘因，各技術軌道產生的直接或間接的積累效應才是技術進步的源動力[25]。因此，對處于技術軌道躍遷期的技術系統展開技術預測時，一方面要甄別出目下技術系統內的主軌道與枝軌道，另一方面要評判好各軌道對技術系統的演進做出的貢獻，由兩方面的信息觀測技術軌道的更替趨勢，從而對未來技術的發展方向做出準確把握。

1.2 研究流程與研究方法

技術預測是對技術軌道發展趨勢的判斷[26]，基于上述理論分析，為判斷軌道躍遷后的發展趨勢，本文設計了一種基于技術軌道躍遷的技術預測模型，如圖1所示。首先識別出當前技術系統的技術軌道，其次判斷技術系統內的技術軌道躍遷，再次對技術系統整體和各技術軌道的發展趨勢做出判斷，最后綜合上述研究得到技術系統發展的最優方向。

圖1 基于技術軌道躍遷的人造肉技術預測模型分析框架Fig.1 Analysis framework of technology prediction model based on technology orbit transition

1.2.1 第一階段 技術軌道識別

要確定各技術軌道對技術系統演進的貢獻，首先要將其從技術系統中剝離出來。本文借助國際專利分類(International Patent Classification，IPC)共現網絡來識別目前技術系統內較為成熟的技術軌道。

IPC共現網絡是通過將專利分類號作為節點，以分類號之間共現關系作為邊來構建網絡，在競爭情報分析領域，主要用分類號共現網絡來分析知識結構和技術聚合，基于力導向算法繪制各IPC關系的共現圖。根據共現的密集度可以識別出當前熱度較高、研究力量較為集中的研究方向，也能夠識別出技術系統內不同的技術軌道。

1.2.2 第二階段 軌道躍遷識別

新型人造肉與市面常見人造肉雖都稱之為“人造肉”，但二者在概念、技術工藝上存在較大差異[27]，且兩類人造肉在活躍時間上存在著明顯的前后關系。本文猜想，新型人造肉與傳統人造肉應是隸屬于同一宏觀概念下的2個不同的技術子系統，且新型人造肉極有可能是傳統人造肉軌道躍遷的成果。

為甄別人造肉技術是否真正發生了技術躍遷，本文采用滾動式“S”型曲線分析人造肉專利技術生命周期[28-30]，利用logistic模型進行擬合，其數學表達如公式(1)所示：

(1)

式中：y為專利的累計量，l為預計的專利飽和水平，α為增長速率，β為曲線拐點。

假設固定第一例人造肉專利的申請時間為生命周期的起點，之后的每一年為終點，逐年計算模型中預計的專利飽和水平，并與實際的專利數據進行對比，當兩者相等時技術系統即走過了一個完整的生命周期，由此判斷人造肉技術前后是否發生過技術軌道的變化，以及技術軌道躍遷發生的節點。

1.2.3 第三階段 基于軌道成熟度的技術預測

對現有技術的成熟度評估，是技術預測過程中必須的一環[15]，技術的生命周期是描繪技術所處的發展階段的理想方法，技術在不同的生命周期內有著不同的發展潛力、市場活躍度、競爭強度[29]，把握技術所在的生命周期可以準確的評估現有技術的成熟度[30]。

同樣采用“S”型曲線法，測算不同技術軌道的3項成熟度參數：(1)飽和點：預估專利累積數量的最高值，即模型中的參數l；(2)生長時間：專利累計數量達到預估最大值的10%～90%所需花費的時間；(3)轉折點：專利技術由成長期向成熟期過渡的臨界值，即數學模型中的拐點。根據3項參數，評價技術系統整體的發展和各技術軌道的技術發展成熟度和對人造肉技術系統演進的貢獻，根據技術軌道未來演進趨勢對技術系統可能的進化方向做出大致判斷。

2 數據獲取與描述分析

2.1 數據獲取

本文借助incoPat專利數據庫，參閱相關文獻中對“人造肉”這一概念的命名與描述，以中文關鍵詞：人造肉、植物蛋白肉、肉仿品、組織工程肉、肉類似物、肉結構蛋白、肉替代物，英文關鍵詞：artificial-meat、cultured-meat、meat-substitutes、meat-replicas、in-vitro-meat、animal-free-meat、lab-grown-meat、Generic-meat、Meat-like進行檢索[31]，并剔除了寵物、飼料、藥品、碎肉合成等與人造肉不相關的部分專利，經簡單合并后最終獲得人造肉相關專利數據606條。

2.2 人造肉專利技術現狀

從專利申請主體的國別來看，人造肉專利申請數量較多的國家可大致分為兩類，一類為經濟相對發達或畜牧業發展水平相對較高的國家，這些國家意識到傳統畜產品生產方式的局限性，對肉類替代品率先開啟了探索，是新型人造肉技術研發的主要陣地，如美國、英國、瑞士、荷蘭、以色列等，所申請的人造肉專利占專利整體的55%，；另一類為有傳統人造肉的食用歷史，飲食結構中素食偏多的國家，如中國、日本、韓國等。

從整體專利申請量的變化趨勢上來看(圖2)，人造肉相關專利的申請的爆發主要在2019年，隨著人造肉概念股的上市，在資本市場的推動下，人造肉研發熱度攀升，當年人造肉相關專利申請量達44件，同比增長62.96%，為歷年來最高。中國申請人造肉相關專利的時間并不長，對人造肉存在意義的理解不深入及知識產權保護意識不強，使得在早期探索人造肉相關技術的過程中缺乏專利的申請，中國歷年人造肉相關專利的申請數量與美國相比，除2019年出現井噴式增長外，各年申請數量低迷，且不連續；與日本相比，日本人造肉專利總量雖然高于中國1倍以上，但多集中于20世紀對舊式人造肉的研究，對新型人造肉的探索反而顯出頹勢，而近兩年，新型人造肉引起了國人的足夠重視，國內超過40%的人造肉相關專利都在2019年和2020年上半年申請。

從人造肉相關專利的申請主體來看，除數家食品公司有集中參與人造肉的專利布局外，其余企業、個人、科研院所申請的人造肉專利量并不大。而中國的人造肉專利申請主體布局總體上呈現以江南大學為代表的高校和科研院所為主導，企業與個人積極參與的態勢。部分專利技術(CN110643512A等)的研發由校間合作、校企合作完成，產學研的合作與對接逐步拓寬與加深。人造肉技術整體上處于活躍的上升期，具有核心競爭力的人造肉企業技術研發活躍度極高，人造肉技術將是技術市場與資本市場持續關注的熱點內容。

圖2 人造肉專利申請變化趨勢Fig.2 Trend of artificial meat patent application

3 基于技術軌道躍遷理論的人造肉技術發展趨勢分析

3.1 新型人造肉技術軌道識別

在涉及與人造肉相關的專利分類中，以主分類號以A23J(食用蛋白質組合物等)和A23L(烹調、營養品質的改進、物理處理等)的專利研發成果數量最多，分別占40.50%和37.48%，這表明，植物蛋白的加工處理和人造肉風味物質的制備是目前人造肉產業研發重點，同時也是研究可行性最高的2個領域。

將近5年的專利分類號繪制共現圖，如圖3所示，圖中內容大致可分為三大技術軌道，并參考陳堅院士[32]對幾類產品的用詞予以命名：

(1)細胞培養肉領域：圖3中左下角虛線框內的IPC大多數涉及的為細胞培養肉的專利，將細胞培養肉跟植物蛋白肉聯系到一起的分類為A23L13/00(肉類制品的制備與處理)和A23J3/00(食用蛋白質加工)。由于涉及細胞培養肉的專利數量較少，因此很難看出哪個分類下的專利技術是細胞培養肉當下的發展重點。

(2)植物蛋白肉領域：而近3年植物蛋白肉的相關專利中最為核心的分類為A23J3/22，該分類點與其他分類點間的連線最密集，在該分類下，相關專利技術主要解決的問題是對植物蛋白的組織化處理，具體方法包括冷凍、擠壓或膨化、在溶液中形成纖維等，其目的是更好的模擬真肉的質感和口感。此外，從大豆中提取植物蛋白的A23J3/16類專利技術、加工食用植物蛋白質的A23J3/14專利技術也是共現圖中連線較為密集的專利研究方向。

(3)風味物質領域：風味物質的相關專利往往與植物基蛋白肉制品的相關核心專利分類同時出現。一方面，植物蛋白肉制備的過程中需要解決肉類風味不足的問題；另一方面，風味物質的原料和制備手段與植物蛋白肉有一定的重合。圖3中實線框內的IPC號涉及較為聚集，其中連線較粗的專利分類有A23L27/26——該分類主要包括一些制備帶肉味的合成調味料或佐料的專利技術、A23L33/185——該分類主要包括從植物蛋白中提取并用以作為給食品增加營養的添加劑的肽、氨基酸等的技術。

圖3 人造肉技術專利分類號共現網絡Fig.3 Co-occurrence network of artificial meat technology patent classification number

3.2 人造肉技術軌道躍遷判斷

為探討新式人造肉與舊式人造肉存在怎樣的繼承和發揚的關系，也為確定兩類人造肉間是否發生技術軌道躍遷，以及躍遷的時間節點。本文認為當人造肉的專利技術完整的走完了一段生命周期，即借助logistic模型進行擬合的專利飽和水平與實際的專利累積數相等時，便可將人造肉技術系統劃分為新舊兩類。

本文將開始連續出現人造肉專利的1963年定為傳統人造肉技術生命周期起點，滾動式的觀察歷年實際累計值與利用1963年至截至當年的數據所估計的生命周期內理論最大累計值，即模型中l之間的關系，部分結果如表1所示。

以1996年為終點所擬合的生命周期所估計的最大累計值與實際累計值大致相同，當年應是傳統人造肉技術創新飽和的年份，即人造肉的技術系統在1996年左右便已經陷入了停滯發展的階段，新型的植物蛋白肉所需要的產業技術此時已經存在了一定量的積累，但由于產業自身的能級較差加之市場上并沒有一定程度的對新型人造肉的需求，植物蛋白肉所代表的技術軌道沒有立刻對技術系統產生躍遷式的沖擊，因此直到21世紀初我們才能夠明確感知到植物蛋白肉的技術軌道成為人造肉技術系統的顯性軌道。

表1 舊式人造肉生命周期滾動擬合部分結果Table 1 Partial results of rolling fitting of the life cycle of traditional artificial meat

為判斷后續人造肉技術系統是否發生二次躍遷，繼續以1996年為新型人造肉技術生命周期起點，進一步測算新型人造肉的技術發展，結果如表2所示。可以看出，至2020年，新型人造肉技術的已累計專利量與擬合估計的理論專利最大值還存在相當的差距，新型人造肉技術具有進一步發展的極大潛力。

表2 新型人造肉生命周期滾動擬合部分結果Table 1 Partial results of rolling fitting of the life cycle of traditional artificial meat

由此印證了前文關于人造肉技術發展的猜想：20世紀便已存在的人造肉產品與當前語境下的人造肉并非同一種食品。人造肉技術經歷了由舊式人造肉向新式人造肉的技術軌道躍遷，而新式人造肉根據技術手段的不同，分化成為了植物蛋白肉和細胞培養肉。

3.3 人造肉技術軌道成熟度與發展趨勢

3.3.1 技術軌道成熟度評估

同樣借助logistic曲線模型，考察新型人造肉的發展歷程(圖4)。新技術基礎的積累，一般發生在前一個技術生命周期衰退期的前中期。以20世紀80年代第一例明確提出植物蛋白肉的專利申請時間1986年作為新型人造肉技術發展的起點，利用1986—2020年的人造肉技術相關專利的數據，估計模型中的l、α和β，并據此計算人造肉技術生命周期中的3個參數：經過擬合計算，新型人造肉技術生命周期曲線的3項參數的取值分別為：飽和點：(saturation)1 103.89件、生長時間(growth time)：51.391 6年、轉折點(midpoint)：40.313 7年。即：假設以1986年為新一輪人造肉技術研發的起點，人造肉相關專利技術累計可達1 100件左右，達到累計專利最大值的10%和90%所需要的時間分別約是15和66年。

同時，根據IPC，將植物蛋白肉軌道、細胞培養肉軌道、風味物質軌道從新型人造肉技術系統中剝離，單獨測算。其中，植物蛋白肉軌道與人造肉技術系統的技術成熟度幾乎一致，結合IPC共現的密集程度判斷，植物蛋白肉是目前人造肉技術系統內的主軌道；細胞培養肉軌道處于導入期的階段，專利數量較少，不少技術還沒完成技術成果的轉化；風味物質軌道與技術主軌道的生命周期變化基本保持一致，但變化幅度小，屬于主軌道的伴生軌道。

圖4 人造肉技術系統各技術軌道曲線模擬Fig.4 Simulation of track curves of artificial meat technology system

3.3.2 新型人造肉技術發展趨勢分析

(1)導入期(1986—2001年)。21世紀以前，人造肉僅作為大豆制品的衍生品在大眾餐飲中充當零食的角色，畜牧業仍有大量生產潛力尚未開發，人造肉對畜牧業和畜產品的替代能力未被認識，只有少數食品公司從事人造肉技術研發，從總體上看，技術活躍度低，專利數量、質量不佳，且增長速度緩慢。

(2)成長期(2001—2027年)。人造肉技術的軌道躍遷的發生并非是由重大技術突破帶來的突破型技術躍遷，而是由需求拉動的漸進性演變。新世紀，世界人口增長所帶來的潛在的糧食危機和素食主義、動物保護主義者等的活躍引發了社會各界對人造肉的討論以及相關技術的活躍，在思考如何調和生態環境危機和潛在糧食危機之間的矛盾的過程中，人造肉技術進入大眾視野。在低層次需求和高層次需求的雙重驅動下，大量研發主體投入到人造肉技術的研發中。

當前人造肉技術正處于生命周期成長期的中后期，技術整體活躍度高，大眾關注度與話題熱度高。隨著資本市場有效介入，人造肉技術創新加速，與此同時，細胞培養肉作為枝軌道開始出現在了技術系統中。

(3)成熟期(2027—2053年)。根據技術的生命周期發展規律，可以預見當人造肉技術邁入成熟期后，人造肉商品化水平變高，其在產品市場與技術市場的競爭也更加激烈，在此期間的技術研發多為迎合消費者需求，專利技術的多樣性得到提升。而此時的細胞培養肉也將進入成長期的早期，技術活躍度顯著提高，活躍的技術枝軌道會對人造肉技術系統產生一定的沖擊。

(4)衰退期(2053年以后)。進入衰退期后，技術的整體演變已基本完成，人造肉技術朝著另一個更高水平的技術軌道躍遷的技術誘因將于該階段開始萌發，當合適的機會窗口出現時，人造肉技術軌道將會完成由植物蛋白肉躍遷向細胞培養肉的新技術軌道的更替。

3.4 基于軌道更替趨勢的人造肉產業技術預測

根據IPC共現圖中指出的重點技術軌道以及各技術軌道所展現的交替趨勢，對人造肉技術未來發展方向做出以下預測：

(1)植物蛋白肉的肉類質感模擬。植物蛋白肉作為人造肉技術系統的主軌道，在未來一段時間內仍將是技術研發的重點，當前人造肉在外觀、結構、風味、色澤及原料選擇、生產設施、工藝流程等一系列問題上仍有較大的進步空間[33]，拉絲蛋白對瘦肉纖維的模擬、肉產品的多層結構、對脂肪層結締組織的模擬等技術還需進一步研究。

(2)細胞培養肉的輔助材料技術。細胞培養肉尚處于研發階段，距離工業化生產尚有一定的距離，大量關鍵性技術有待攻克[34-35]。根據目前專利技術的申請情況來看，可食用非動物源性支架材料的研制、非動物源性培養基的研發是目前研究最多的技術；大型生物反應器的設計、種子細胞來源優化、非重力環境培育等技術有待突破。

(3)人造肉生產的規模化與數字化。規模化程度差而無法分攤前期高額的研發成本和生產過程對知識型人才的依賴是當前人造肉價格居高不下的主要原因之一[36]，要解決這方面問題就必須實現人造肉生產的規模化和數字化。檢索專利中少量涉及了與生產人造肉產品的設施相關的技術，其中部分專利如CN202010979367.8等為植物蛋白肉的生產提供了自動化的生產線。還需進一步增加人造肉規模化生產流程設計、人造肉自動化生產流水線優化、人造肉生產與人工智能結合等相關方面的研發。

(4)加強人造肉的功能性。人造肉與普通肉類的不同點之一就在于可以通過控制加工程序與配料使得成品的營養成分與預期目標吻合[37]，而當今社會需求的多樣化也對食品的功能性提出的更高的要求，針對不同人群設計不同的靶向配方，增強人造肉的保健屬性，使人造肉在產品層次上更具有多樣化。

4 結論與建議

4.1 主要結論

結合技術軌道躍遷理論，基于人造肉技術的相關專利情報，應用“S”型曲線模型和IPC分析，對人造肉技術的發展軌跡和未來的技術發展態勢進行了相關研究。得出以下結論：(1)人造肉產業技術完成由舊式人造肉過渡到植物蛋白肉的軌道躍遷，模型擬合的結果與技術的發展形勢基本吻合，當下人造肉的產品定位發生了深刻的變化，未來的一段時間內，專利申請數量將大幅提升，技術、產品2個市場都會不斷擴大。(2)植物蛋白肉尤其是提升植物蛋白肉仿生效果的技術將是未來一段時間內人造肉技術發展的重心，具體包括改善人造肉的植物蛋白纖維的結構、增強產品肉的風味、提升產品外觀質量等；此外，細胞培養肉有進一步發展的趨勢。

4.2 相關建議

(1)從技術創新層面上看：其一，中國人造肉的部分專利已經由校企合作、校間合作完成，但數量與占比都較小，產學研間的對接與合作需要進一步加強；其二，中國人造肉專利的申請主體過于零散，建議整合零散的研發個體組建研發機構或技術聯盟，形成規模優勢。

(2)從技術應用層面上看：其一，中國在人造肉領域內尚無知名企業，要在政策上鼓勵和扶植人造肉相關企業，引導企業正確的在中國的消費觀飲食觀下講好人造肉的故事，依托新老兩類企業打造國內人造肉品牌。其二，盡快完善、規范人造肉相關產業的行業標準，制定相關監管準則，并做好涉及微生物技術的產品的相關風險評估，在確保食品安全基礎上促進人造肉產業健康發展

(3)從技術發展方向上看：植物蛋白肉在未來一段時間內仍將是人造肉產業發展的重點，但細胞培養肉極有可能在未來成為人造肉產業的主要技術。而細胞培養肉的技術難度使得其自身會攜帶一定的技術壁壘，忽視該領域的研發則有一定風險導致其成為威脅國家糧食安全的桎梏。因此在規劃人造肉產業技術發展的方向時，應當以植物蛋白肉為過渡技術，兼顧細胞培養肉領域的技術發展，形成由企業主導植物蛋白肉、科研機構主導細胞培養肉的研發體系并逐步過渡到產學研聯合研發，引領人造肉產業完成由植物蛋白肉向細胞培養肉的技術軌道二次躍遷。